杨裕生院士：加速锂硫电池发展的三点建议

　　2016年6月，清华大学举办“锂硫电池研讨会”。会议快要结束的时候，针对当时媒体上不断出现的锂硫电池技术“突破”“领先”等报道，我以“沉着奋战锂硫电池”为题发言。我的发言主要表达了如下观点：锂硫电池“进门容易”，但会“越做越难”。锂硫电池技术存在“五低”：安全性低，体积比能量低，放电倍率低，能量转换率低，循环次数低。只有基本解决掉“五低”问题后锂硫电池才能用作车用动力电池，三年五载很难用上，十年八载不算悲观。

　　国内外许多单位6年来做了大量工作，共同推动了锂硫电池技术的明显进展。其中，中国人民解放军防化研究院从1997年开始研究锂硫电池，这6年针对“五低”问题的根源进行工作，成效显著，具有很好的代表性。

　　一、安全性低的主要根源是锂枝晶。

　　研究了锂硼合金作为负极，利用纤维状Li7B6良好的导电性作合金中金属锂的载体，增加负极的比表面、降低电流密度，改善锂表面SEI膜的性能，缓解了金属锂易长枝晶、粉化问题，充放电50圈后表面光洁未见枝晶，提高了安全性。

　　据此，组织了国内优势单位中南大学、厦门大学、苏州大学、北京化工大学和广州工业大学系统研究锂硼合金的作用。中南大学建成了锂硼合金批量冶炼和轧制装置，为普遍研究和使用锂硼合金奠定了基础。

　　二、放电倍率低主要由于硫既不导电子，又不导锂离子。6年主要进展是通过掺碳、造孔、包覆并引入催化剂等多重手段，制备出新型碳硫复合正极材料，其含硫量达90wt.%，振实密度为0.5 g/mL，电子电导 0.18 S/cm。材料表现出良好的倍率性能和循环稳定性。

　　三、针对体积比能量低的问题采取的关键措施有三：1、提高正极的单位面积载硫量；2、提高硫的有效比容量；3、降低电解液用量。目前可以达到：极片含硫>80%，载硫>5mg/cm2（单面）；材料中硫的比容量>1350mAh/g (0.2C充放) ；电解液与硫的质量比：E/S=3.2。

　　四、能量转换率低主要由于多硫离子穿梭效应。对此，将酞菁铟引入隔膜涂层中，起到催化多硫离子转化的作用，制备具有催化作用的功能隔膜，缓解多硫离子穿梭。

　　五、循环次数与提高比能量有矛盾。通过采取多种针对性措施，锂硫电池在小电流下比能量已达到758Wh/kg的水平，全充放还能循环几周。在低荷电态下充放电，循环寿命可成数量级延长。

　　但是，全面衡量锂硫电池现有水平，距离大规模应用还要继续奋战三五年。为了加速我国锂硫电池技术发展，我在此提出三点建议。

　　一、锂硫电池的发展需要大型企业的主导

　　锂硫电池的发展已进入“从基础研究进入工程化”的阶段，必须改由实力雄厚的大型企业主导，才能做好以下四件要事：

　　1、用安时级别软包装电池代替扣式电池

　　扣式电池可在手套箱中操作，但是锂硫扣式电池中正极载硫量低而电解液用量高，难以反映材料的真实水平，对于推动实用化作用有限。

　　锂硫电池的正极高载硫下容量的发挥、电解液的减量、电池一致性等与实用相关的问题，都需要在安时级别软包装的平台上进行研究，这就要企业大量投入建立露点极低的干房。

　　2、利用已有技术，对锂硫电池作集成开发

　　锂硫电池的基础研究已经达到较高的水平，国内外发表了大量的文章和ZL。大型企业有雄厚的实力收集、采购国内、国外先进的技术和ZL，最快地加以消化、集成。

　　3、组建相当规模的高水平开发队伍

　　大型企业一定理解：开发一款新型电池需要多大规模的队伍！人少了不行。何况，锂硫电池还具有有别于其他电池的特殊性和技术难关，要选聘真通锂硫电池的人才！

　　4、坚持长时间的刻苦攻关

　　大型企业能够改变目前分散性、游击式、接力式、出文章为主的现象，能够稳定队伍不断线、持续提高水平；并有实力向科技部重点科研项目“配套”经费。

　　二、锂硫电池的发展现阶段需要适合的应用场合

　　锂硫电池的正极材料单质硫的来源丰富，价格低，体系环保，还有一个优势是回收成本较目前的锂离子电池低得多，所以综合考虑非常有应用前景。

　　目前，锂硫电池的循环稳定性还不是很理想，还难以用做电动汽车等动力供电，但其高比能量的优势明显，可以部分弥补循环次数少的不足。关键是找到对电池重量比较敏感而容积较宽敞的场合先行应用，进行针对性的开发，以便在应用中继续提高性能，取得更快进步。同时，在性能提高的过程中不断扩展应用场景。

　　推广锂硫电池的应用，也必需企业承当。

　　三、要重视发展有机硫化物正极的锂硫电池

　　锂硫电池以有机硫化物正极，虽然比能量不及以单质硫为正极，但是这种电池使用六氟磷酸锂酯类电解液，价格远低于醚类电解液；有机元素丰富，不受资源限制；没有穿梭现象，能量转换效率高；没有单质硫的溶解，循环寿命长，是很值得开发的品种。

　　我们在研究正极材料硫代聚丙烯腈的储能机制中，发现了聚丙烯腈结构中的双键具有可逆储能的作用，揭示了以硫含量计算比容量时实测值大于理论值的根源。

　　可顺着这条路径，合成含硫硫键的多双键有机化合物，以硫的吸电子效应提高双键的电位至1.8V以上（对锂）；以多双键储能增加含硫材料的比容量，可能达1000mAh/g以上（比硫代聚丙烯腈提高30%-40%）；以比容量2000mAh/g以上的锂硼合金为负极提高安全性和循环性，电池的比能量可能大于450Wh/kg。按此方案制成的电池，安全性将显著高于相同比能量的三元锂离子电池，值得重视，特别希望有机化学家介入发挥作用。

　　三点思路：企业主导，推广应用，材料创新。

　　（本文系作者在中国超级电容产业联盟主办、清华大学化工系和中国科学院电工所承办的2022年学术研讨会上的发言整理）